1、在巖土工程中絕大部分土體的變形都在小應變范圍內(nèi)；而在小應變范圍內(nèi)土體具有較高的剛度、逐漸屈服和結(jié)構(gòu)性等變形特性。以劍橋模型為代表的傳統(tǒng)土體本構(gòu)模型難以描述土體的小應變特性。在這種情況下,采用傳統(tǒng)土體本構(gòu)模型分析基坑開挖、地鐵施工等巖土工程問題時,預測計算結(jié)果將與實際情況相差較大。同時土體是天然地質(zhì)體,土體結(jié)構(gòu)對包括小應變在內(nèi)的整個變形過程有強烈的影響。因此,建立考慮結(jié)構(gòu)性的土體小應變本構(gòu)模型具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。論文以國家自然科

2、學基金項目“土體的小應變本構(gòu)模型研究”(50309017)和重慶市自然科學基金項目“基于結(jié)構(gòu)擾動的土體本構(gòu)模型研究”(CSTC2005BB6114)為依托,從土體小應變變形特性的本質(zhì)因為-土體的結(jié)構(gòu)性入手,對土體的小應變本構(gòu)模型進行研究。
　　 論文的主要研究工作與結(jié)論如下:
　　 ①對土體小應變情況下的變形特性及其本構(gòu)模型、土體結(jié)構(gòu)性及其本構(gòu)模型和修正劍橋模型等研究進展進行分析,提出了論文研究思路--基于土體的結(jié)構(gòu)性,

3、對修正劍橋模型進行擴展,從而建立土體的小應變本構(gòu)模型。
　　 ②基于非連續(xù)介質(zhì)細觀力學,采用理論分析和數(shù)值試驗兩種手段,分別對土體的小應變變形的結(jié)構(gòu)性機理進行分析。
　　 建立了土體的細觀模型,利用彈性接觸力學理論討論了膠結(jié)結(jié)構(gòu)對土體小應變特性的影響規(guī)律。研究表明:在土體的整個變形過程中存在一個由膠結(jié)結(jié)構(gòu)控制的變形區(qū)域；在該變形區(qū)域內(nèi),微量的膠結(jié)結(jié)構(gòu)(膠結(jié)厚度為土體顆粒直徑的萬分之一)也會使土體宏觀的模量增加10余倍。<

4、br>　　 在顆粒流PFC2D平臺上,建立了土體及其三軸試驗的顆粒流模型。分別討論了接觸剛度、粘結(jié)強度、粘結(jié)剛度與半徑等細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對小應變條件下變形特性影響。研究表明:在小應變范圍內(nèi)細觀顆?；瑒于厔葺^小,摩擦力還未得到充分發(fā)揮,土體細觀顆粒間的摩擦對小應變特性影響較小。細觀顆粒間的膠結(jié)厚度、膠結(jié)半徑和膠結(jié)模量等對小應變特性影響較大；隨著細觀顆粒間的膠結(jié)厚度、膠結(jié)半徑和膠結(jié)模量的增加,土體宏觀變形模量將增大。
　　 在小應變條

5、件,微量膠結(jié)也可以使土體顆粒間點接觸轉(zhuǎn)換為面接觸,從而使土體表現(xiàn)出較高的宏觀模量；而當應變進一步增加時,膠結(jié)破損,土體細觀顆粒間的面接觸轉(zhuǎn)換為點接觸,從而使土體宏觀模量迅速降低。
　　 土體宏觀強度參數(shù)的粘聚力和摩擦系數(shù)兩個方面,在小應變范圍內(nèi)主要是粘聚力發(fā)揮作用,而摩擦力相對影響較小。
　　 ③土體結(jié)構(gòu)的模型及其本構(gòu)關(guān)系研究
　　 對土體的物理結(jié)構(gòu)、宏觀變形特性等進行調(diào)查,提出了土體結(jié)構(gòu)的材料結(jié)構(gòu)模型和分布結(jié)構(gòu)

6、模型。
　　 將土體變形表現(xiàn)出的超固結(jié)劃分為材料結(jié)構(gòu)超固結(jié)與應力超固結(jié)這兩種不同性質(zhì)的超固結(jié)；從而使材料結(jié)構(gòu)與應力超固結(jié)統(tǒng)一起來。然后對修正劍橋模型進行擴展,模型屈服面的尺寸由材料結(jié)構(gòu)超固結(jié)參數(shù)和應力超固結(jié)參數(shù)兩者之和共同決定,而屈服面尺寸大小的變化由塑性體積硬化與材料結(jié)構(gòu)損傷共同描述；從而建立了一個可以統(tǒng)一考慮超固結(jié)和結(jié)構(gòu)性的土體本構(gòu)模型。該模型對于描述土體結(jié)構(gòu)性,特別是在大應變范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)性具有較高的適用性。
　　

7、基于土體的分布結(jié)構(gòu)模型概念,假設土體的一維塑性硬化元件的摩擦滑動元件啟動應力參數(shù)、塑性模量相互獨立,并分別服從某種形式的統(tǒng)計分布；利用統(tǒng)計學和塑性力學理論,推導了基于分布結(jié)構(gòu)模型概念的土體一維彈塑性本構(gòu)模型。該一維彈塑性模型能夠反映土體小應變時的逐漸屈服特征。
　　 ④考慮土體的材料結(jié)構(gòu),利用復合體損傷理論,提出了彈性變形部分的計算方法。在塑性變形部分模型基于土體的分布結(jié)構(gòu)模型,認為塑性變形的內(nèi)變量不是單一、固定的值,而是在一定

8、區(qū)間上遵循統(tǒng)計分布密度函數(shù)分布的；擴展修正劍橋模型單一內(nèi)變量的單個屈服面至尺寸連續(xù)的屈服面場,并采用相關(guān)聯(lián)的流動法則,從而提出了可以反映土體小應變特性的土體本構(gòu)模型。
　　 ⑤在有限差分FLAC2D平臺上,對論文小應變本構(gòu)模型進行了fish語言程序化,然后對天府基坑工程案例進行了數(shù)值分析。分析表明,基坑開挖工程中絕大部分土體都處于小應變變形情況,土體小應變本構(gòu)模型有利于準確預測巖土工程的變形；相比修正劍橋模型,本文小應變本構(gòu)模型